陳俊杰,吳盤龍,何 山,姚文典

(南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

對于導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真,半實物仿真是除了導(dǎo)彈發(fā)射試驗外,可以驗證導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計正確性的唯一方式。相較純數(shù)字仿真,半實物仿真通過在仿真閉環(huán)回路中接入物理設(shè)備[1-3],仿真數(shù)據(jù)更加接近實際,是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)研制過程中必需環(huán)節(jié)。

半實物仿真平臺可以實現(xiàn)半實物物理設(shè)備連接、數(shù)據(jù)檢測、信號傳輸、仿真過程控制、制導(dǎo)模型仿真驗證等功能[4-6]。隨著導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,半實物仿真平臺對實時性、通用性、可靠性及可擴展性要求越來越高。操作系統(tǒng)、半實物仿真系統(tǒng)必須滿足高實時性,目前多采用RTX、dSPACE、FreeRTOS、RT-Lab,Speedgoat等其他實時操作系統(tǒng)。dSpace是一種實時仿真系統(tǒng),是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺。多應(yīng)用于微處理器的FreeRTOS實時操作系統(tǒng),是一個輕量級的操作系統(tǒng)。RT-Lab實時操作系統(tǒng)是一種用于動力與電氣工程領(lǐng)域的科學(xué)儀器,是一套工業(yè)級的系統(tǒng)實時仿真平臺軟件包。Speedgoat實時系統(tǒng)中Simulink Real-Time工具箱與Matlab/Simulink兼容最好,仿真操作均在Matlab中進行。基于本文的設(shè)計方案,工業(yè)控制計算機工作在Windows系統(tǒng)下,RTX實時子系統(tǒng)是Windows系統(tǒng)的擴展子系統(tǒng),可以充分利用Windows系統(tǒng)下各種資源、API函數(shù)等,方便針對硬件實時驅(qū)動、人機交互界面等方面進行開發(fā)。文獻[7-8]分別介紹了導(dǎo)彈半實物仿真的三維場景構(gòu)建和導(dǎo)引頭半實物模型構(gòu)建,但均未搭建一套完整的導(dǎo)彈制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)。本文根據(jù)目前飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)[9-11]和半實物仿真裝備研究現(xiàn)況與進展,設(shè)計一套基于RTX的導(dǎo)彈制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng),滿足了半實物仿真系統(tǒng)高實時性、高通用性、高擴展性的要求,且通過了制導(dǎo)武器半實物仿真試驗可信度評估[12-13],在保留Windows系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,通過引進RTX實時子系統(tǒng),解決了Windows系統(tǒng)實時性較弱的問題。

1 RTX系統(tǒng)簡介

RTX實時系統(tǒng)是Windows系統(tǒng)下的一個實時擴展子系統(tǒng),也是一個基于軟件的硬實時解決方案。它通過對IRQ、I/O、系統(tǒng)內(nèi)存等的精確控制,確保實時任務(wù)的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。RTX實時子系統(tǒng)還支持30 kHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度,平均延遲小于1 μs。

RTX實時子系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)全面兼容,并且可以充分保留Windows系統(tǒng)的各種資源,其中包括Windows系統(tǒng)下大量標準的API函數(shù)、Windows系統(tǒng)的內(nèi)存管理機制等。作為Windows系統(tǒng)下的一個實時擴展系統(tǒng),RTX不會對Windows系統(tǒng)下的架構(gòu)作任何封裝和修改。

RTX實時子系統(tǒng)擁有精確高速的任務(wù)調(diào)度器,其最多支持1 000個獨立的進程。RTX實時子系統(tǒng)擁有128個優(yōu)先級,并且針對線程切換時間具有嚴格要求,可以滿足幾乎所有用戶的編程需要。

RTX實時子系統(tǒng)同時也是軟件開發(fā)解決方案,可以將包括Windows 2000、Windows XP等各版本系統(tǒng)拓展到時間控制領(lǐng)域,使得上述各版本系統(tǒng)轉(zhuǎn)為實時操作系統(tǒng)。因此基于RTX實時子系統(tǒng)拓展的RTOS,不僅可以實現(xiàn)對實時性要求高的任務(wù)開發(fā),也可以實現(xiàn)非實時性任務(wù)開發(fā)。

2 RTX與Windows數(shù)據(jù)交互機制

半實物仿真需要真實硬件參與制導(dǎo)控制解算回路,半實物仿真平臺需要可操作性、通用性,更需要保證半實物仿真平臺的高實時性,以保證半實物仿真系統(tǒng)的可靠性,進而檢驗導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果和軟件設(shè)計的正確性。實時仿真軟件中采用共享內(nèi)存交互機制,能夠高速且準確實現(xiàn)RTX與Windows之間的數(shù)據(jù)交互,并且滿足上述所有要求。

共享內(nèi)存是進程間共享數(shù)據(jù)的最快的方法,一個進程向共享內(nèi)存池寫入數(shù)據(jù),共享內(nèi)存池的所有進程均擁有讀權(quán)限。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)交互需求,本文介紹的半實物仿真系統(tǒng)需要提供兩片共享內(nèi)存池,該半實物仿真系統(tǒng)中共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互工作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交互流程圖Fig.1 Data interaction flowchart

在仿真流程開始前,Win32進程讀取仿真各初始參數(shù)后,需要傳輸給RTSS進程,此時Win32進程需要創(chuàng)建第一片共享內(nèi)存池,同時擁有寫權(quán)限,RTSS進程僅擁有讀權(quán)限。

在仿真流程開始后,RTSS進程收到控制組合模擬單元解算數(shù)據(jù),需要上傳至Win32進程,Win32進程通過光纖上傳至工作站的監(jiān)控軟件。此時RTSS進程需要創(chuàng)建第二片共享內(nèi)存池,擁有寫權(quán)利,Win32進程僅擁有讀權(quán)利。

3 半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。半實物仿真系統(tǒng)主要由工作站、工業(yè)控制計算機、控制組合模擬單元組成。

圖2 基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of RTX-based hardware-in-the-loop simulation system for guidance and control

3.1 半實物仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 工作站

工作站主要負責數(shù)據(jù)采集、顯示、控制組合模擬單元軟件調(diào)試、上傳,數(shù)據(jù)處理與分析。

工作站通過RS422串口與控制組合模擬單元連接,實現(xiàn)控制組合模擬單元軟件調(diào)試與上傳,并接收控制組合模擬單元按周期發(fā)送的實時仿真數(shù)據(jù)并上傳到地面監(jiān)控軟件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示。

光纖通信模塊主要完成工作站與工業(yè)控制計算機之間的光纖通信。工作站和工業(yè)控制計算機分別搭載VMIPMC-5565反射內(nèi)存實時網(wǎng)卡,并通過光纖連接,構(gòu)成VMIC實時網(wǎng)絡(luò)。

3.1.2 工業(yè)控制計算機

工業(yè)控制計算機主要用于硬件接口模擬和為飛控算法的運行提供實時運行環(huán)境,可實現(xiàn)在RTX環(huán)境下進行制導(dǎo)姿控算法計算。

工業(yè)控制計算機的串口通信模塊負責半實物仿真過程中與控制組合模擬單元的數(shù)據(jù)交互,通過4路RS422串口與控制組合模擬單元的串口卡相連,其中1路串口負責仿真指令發(fā)送與接收,其余3路串口分別負責將GPS、IMU、裝訂數(shù)據(jù)發(fā)送至控制組合模擬單元。

工業(yè)控制計算機中1553B通信模塊實現(xiàn)與控制組合模擬單元之間飛控數(shù)據(jù)交互,其中工業(yè)控制計算機作為BC(工控機),控制組合模擬單元作為RT(彈載計算機)。

工業(yè)控制計算機搭載的時鐘同步模塊主要負責接收同步時鐘信號;模擬量輸入/輸出模塊模擬實際舵偏的采集及舵偏指令的下發(fā);數(shù)字量輸入/輸出模塊作為備用接口,便于二次開發(fā)。

3.1.3 控制組合模擬單元

控制組合模擬單元主要提供嵌入式的軟硬件運行環(huán)境,該單元帶有開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、時鐘同步模塊、1553B通訊模塊、RS422串口通信模塊。

控制組合模擬單元搭載的RS422串口通信模塊共搭載8路串口,其中1路串口與工作站連接,用于實現(xiàn)控制組合模擬單元軟件調(diào)試與上傳;4路串口與工業(yè)控制計算機連接,1路串口用于接收與發(fā)送仿真相關(guān)指令,3路串口分別用于接收工業(yè)控制計算機發(fā)送的GPS、IMU、裝訂數(shù)據(jù);1路串口發(fā)送1 kHz時鐘信號,用于時鐘同步。

3.2 半實物仿真軟件設(shè)計

半實物仿真軟件是仿真系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)先進性、可靠性、功能完備性是半實物仿真系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

該半實物仿真系統(tǒng)軟件主要包括工作站搭載的地面監(jiān)控軟件、工業(yè)控制計算機搭載的實時仿真軟件及控制組合模擬單元搭載的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制仿真軟件。

工作站搭載的地面監(jiān)控軟件主要完成控制組合模擬單元軟件上傳、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲。

工業(yè)控制計算機搭載的實時仿真軟件包括了彈道仿真軟件及通信管理軟件。彈道仿真軟件基于RTX環(huán)境下開發(fā),進行實時飛控計算;通信管理軟件是基于Windows環(huán)境下開發(fā)的人機交互界面,完成I/O卡參數(shù)設(shè)定、諸元裝訂、仿真指令下發(fā)等功能。工業(yè)控制計算機是在Windows和RTX實時操作系統(tǒng)環(huán)境下完成實時仿真軟件開發(fā),Windows環(huán)境下的任務(wù)和RTX環(huán)境下的任務(wù)可以通過共享內(nèi)存共享數(shù)據(jù),使用Windows和RTX的架構(gòu)既可以擁有Windows環(huán)境下的特性,也提高了系統(tǒng)的實時性。

控制組合模擬單元搭載的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制仿真軟件具有上電初始化及自檢、數(shù)據(jù)上傳和下載、數(shù)據(jù)固化、內(nèi)存單元讀取和回傳等功能。

3.3 半實物仿真試驗流程設(shè)計

基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)試驗流程主要包括:

1)工作站上的監(jiān)控界面打開光纖通信模塊,發(fā)送試驗開始指令;

2)在工業(yè)控制計算機的實時仿真軟件進行串口號以及波特率的設(shè)置,然后進行系統(tǒng)通信自檢;

3)自檢成功后,地面監(jiān)控軟件向控制組合模擬單元發(fā)送向內(nèi)存寫入固件指令;

4)控制組合模擬單元收到指令后將待寫固件寫入對應(yīng)內(nèi)存,等待工業(yè)控制計算機發(fā)送仿真初始條件;

5)工業(yè)控制計算機的實時仿真軟件加載工況,將GPS、IMU、裝訂數(shù)據(jù)分別通過串口2、3、4發(fā)送給控制組合模擬單元;

6)控制組合模擬單元進行模型解算,并實時向工業(yè)控制計算機傳輸仿真數(shù)據(jù);

7)工業(yè)控制計算機將接收到的數(shù)據(jù)通過光纖通信模塊傳輸給監(jiān)控界面。

4 半實物仿真系統(tǒng)試驗驗證

為驗證半實物仿真系統(tǒng)的性能,按照該仿真試驗流程進行場景驗證,試驗主要包括對數(shù)據(jù)傳輸實時性、數(shù)據(jù)可靠性、半實物仿真試驗流程正確性進行驗證。

4.1 系統(tǒng)實時性驗證

表1的測試數(shù)據(jù)可以得出,多個實時性能指標RTSS線程明顯優(yōu)于Win32線程。作者利用RTSS工作線程來完成仿真,可以獲得較好的實時性能,滿足實時仿真對實時性的要求。

表1 RTSS進程性能測試(CPU滿負荷下)

本文設(shè)計的半實物仿真系統(tǒng)中加入了導(dǎo)彈制導(dǎo)控制6DoF模型、調(diào)度流程等,需要對半實物仿真系統(tǒng)的實時性進行性能測試。在運行導(dǎo)彈制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)后,對系統(tǒng)的延遲情況進行了20 ms的測試。表2的測試數(shù)據(jù)表明,基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)在加入了導(dǎo)彈制導(dǎo)控制模型后仍具有良好的實時性。

表2 系統(tǒng)延遲測試結(jié)果

4.2 半實物仿真數(shù)據(jù)傳輸正確性驗證

作者需要通過工業(yè)控制計算機對控制組合模擬單元進行諸元裝訂,實時仿真軟件中Win32進程通過讀取本地文件初始諸元參數(shù),再通過共享內(nèi)存下傳到RTSS進程,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 地面監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)與控制組合模擬單元數(shù)據(jù)對比Fig.3 Data comparison of ground monitoring software and control combined simulation unit

在半實物仿真過程中,RTSS進程通過定時器以5 ms 為周期,將慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)通過RS422串口下傳到控制組合模擬單元進行模型解算,然后控制組合模擬單元通過RS422串口將模型解算數(shù)據(jù)上傳至實時仿真軟件中RTSS進程,RTSS進程再通過共享內(nèi)存上傳至Win32進程,Win32進程通過VMIC光纖通信模塊上傳至工作站中地面監(jiān)控軟件,完成實時仿真數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖3中藍線表示地面監(jiān)控軟件通過光纖通信模塊接收RTSS進程發(fā)送的模型解算數(shù)據(jù),紅線表示控制組合模擬單元發(fā)送至工業(yè)控制計算機中RTSS進程的數(shù)據(jù)。

通過對比可以得到結(jié)論:地面監(jiān)控軟件接收的數(shù)據(jù)與控制組合模擬單元遙測輸出的數(shù)據(jù)相同,半實物仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸沒有誤差,該半實物仿真系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)傳輸準確性高。

綜上所述,本文所介紹的半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計合理,且具有高實時性、高準確性、高可靠性。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真系統(tǒng)的基本原理與系統(tǒng)組成,通過詳細描述半實物仿真系統(tǒng)的組成及工作原理,并且根據(jù)場景驗證,基于RTX的制導(dǎo)控制半實物仿真平臺可實現(xiàn)控制組合模擬單元軟件上傳、實時控制導(dǎo)彈制導(dǎo)半實物仿真指令下發(fā)、實時監(jiān)控仿真過程中導(dǎo)彈各參數(shù)等功能。測試結(jié)果表明該半實物仿真系統(tǒng)是正確且合理的。